新型自蓄熱生物質燃燒機設計與實驗研究
摘要：基于高溫空氣燃燒技術，設計一種新型自蓄熱燃燒器，以實現連續的高溫空氣燃燒。新型自蓄熱生物質燃燒機由燃燒器、蓄熱體、四通換向閥3部分構成。為驗證新型自蓄熱燃燒器熱工及阻力特性，建立了基于直管式輻射管測試系統，結果表明：該自蓄熱生物質燃燒機能實現穩定的高溫空氣燃燒，工作過程中排煙溫度在150℃以下，溫度效率可達88%以上；直管式輻射管外壁縱向最大溫差不高于58℃；N() x#-非放濃度不高于3 85 mg/m3;且該自蓄熱生物質燃燒機結構相對簡單，安裝靈活，因此對不同爐型有較強的適應性。
引 言
高溫空氣燃燒(H 19h Te11Perature AirC∞bus-ti∞簡稱HiTAC)技術是具有芾能減排雙重效果的先進燃燒技術。通過高效蓄熱體“極限”回收煙氣余熱預熱助燃空氣，提高燃料的理論燃燒溫度，節約燃料消耗，減少燃燒產物排放【111。這項燃燒技術還被稱為FI_OX MIID和IN燃燒技術和蓄熱燃燒技術[3】。目前，國內的HlTAC系統多采用雙焰式高溫空氣燃燒方式，雙焰式H正Aq支術要求成對安裝生物質燃燒機，每只生物質燃燒機配備蓄熱體，當其中一只生物質燃燒機處于燃燒狀態時，其蓄熱體被助燃空氣冷卻，相對應的生物質燃燒機排煙，與之相連的蓄熱體被高溫煙氣加熱，它們按周期進行轉換功能，交替加熱和冷卻蓄熱體從而實現“極限”回收余熱【41。頻繁的火焰切換造成爐溫、爐膛壓力的波動，換向瞬間燃燒不連續，頻繁的燃料通斷造成燃料噴管易出現結焦、堵塞和斷火等問題【51。如一端生物質燃燒機出現故障整個系統就不能正常燃燒，影響生產的正常進行。
為有效解決雙焰式H iTAC系統上述不足，國內外研究者提出了連續式蓄熱燃燒的概念。6呻1，就是在保持煙氣余熱能極限回收的同日寸，燃氣連續供給，在國內這種燃燒技術已經在熔鋁行業取得成功，2002年國內某鋁材
公司的熔鋁爐上安裝連續式Hi~C系統后，取得了理想的節能效果【71，但連續式蓄熱燃燒技術在其它彤式熱處理爐或輻射管上應用的相關報道很少見諸公開文獻。
首先介紹了新型自蓄熱生物質燃燒機的工作原理與結構組成，然后介紹了該自蓄熱生物質燃燒機測試系統對其在直管式輻射管上進行了冷態蓄熱體阻力特性的測試和熱態生物質燃燒機熱工性能測試最后對測試結果進行了分析和比較。
1新型自蓄熱生物質燃燒機的設計
Ll新型自蓄熱生物質燃燒機的工作原理
新型自蓄熱生物質燃燒機根據高溫空氣燃燒技術的基本原理設計而成，可以實現在H iTAC-F連續燃燒，具有高效回收煙氣余熱，大幅降低污染物排放，降低NO舶排放濃度的特點[1叫，因燃燒過程中燃氣不換向，空氣與煙氣間切換周期可以縮短到10 s左右。自蓄熱生物質燃燒機的工作原理如圖1所示，在爐膛的升溫段，閥1關閉，閥2打開，自蓄熱生物質燃燒機中間的小生物質燃燒機先工作，采用非預混燃燒方式，此時換向閥開始工作，蓄熱體A和B交替作為排煙通道并蓄熱，保證煙氣排放溫度在150℃以下。當排煙溫度達到150℃左右時，部分開啟空氣閥l調小空氣閥2的開度，空氣與煙氣交替通過蓄熱體，實現加熱助燃空氣，回收煙氣余熱，如圖1所示爐內的高溫煙氣進入蓄熱室B蓄熱體B皮加熱，同時高溫煙氣被冷卻到150℃以下通過四通換向閥后經引風機排出，煙氣的顯熱被蓄熱體B【！及牧并貯存；常溫空氣經過高溫蓄熱體A后被預熱為高溫助燃空氣，同時蓄熱體A冷卻，高溫助燃空氣噴入爐內與燃氣混合后進行
半個周期后換向閥換向，爐內的高溫煙氣進入蓄熱室A蓄熱體A皮加熱，同時高溫煙氣被冷卻到150℃以下通過換向閥后經引風機排出，煙氣的余熱被蓄熱體A吸收并貯存；常溫空氣經過高溫蓄熱體助舌被預熱為高溫助燃空氣，同時蓄熱體B吏冷卻，高溫助燃空氣噴入爐內與燃氣混合后進行燃燒。爐膛溫度達到850℃，閥1全開，閥2部分開啟，此時為二級燃燒方式。由以上的分析可以看出，在燃燒過程中，燃氣不再頻繁的通斷，燃氣噴管內不會出現堵塞、結焦、斷火和不燃等現象。
L 2新型自蓄熱生物質燃燒機的結構
新型自蓄熱生物質燃燒機由生物質燃燒機、蓄熱體與換向閥3部分組成。從圖2可以看出，生物質燃燒機的中間部分是升溫生物質燃燒機，它由空氣管道、燃氣管道、空氣分布板和點火電極組成。升溫生物質燃燒機四周均勻布置了4個管道，分別與蓄熱體相連，在工作過程中，兩根管道并聯作為預熱空氣噴口，另外兩根管道并聯作為煙氣排放管，并定期互換功能，火焰的檢測是通過UV火焰檢測器進行，燃料連續供應，取消了燃氣自動切換裝置。
2實驗系統
為了對自蓄熱生物質燃燒機的蓄熱體阻力特性與熱工性能進行測試分析，搭建了如圖3所示測試系鯇。本系統是由生物質燃燒機、蓄熱器、換向閥、輻射管、試驗爐、鼓風機和引風機等組成。
燃料為瓶裝液化石油氣配瓶裝氮氣，蓄熱器內蓄熱體為莫來石質蜂窩陶瓷蓄熱體。用到的測量儀器有浮子流量計、UV檢測火焰裝置、，IESrIOM300型煙氣分析儀、壓力變送器、鎧裝K型熱電偶、鎧
裝剮熱電偶和臺式電腦等。在升溫階段，閘板閥2關閉，閘板閥1開啟，換向閥正常運行，隨著蓄熱內溫度升高，逐漸關小閘板閥l逐漸開啟閘板閥2當輻射管內溫度達到850℃時，閘板閥2開啟，進入高溫低氧燃燒階段。
3試驗結果與分析
3 1新型自蓄熱生物質燃燒機蓄熱體的阻力特性
蓄熱體的阻力損失是指氣體流過蓄熱體時形成的壓力差，這個數值的大小直接影響到整個系統的運行效果，影響燃燒的穩定性，系統設計中必須綜合考慮【11]。本次實驗中單臺蓄熱器內安裝長度為1 000 mrrtl<J莫來石質蜂窩陶瓷蓄熱體，整套蓄熱器全流程為2 000 mrn為得到不同長度蓄熱體在不同流量時的阻力特性及最大流量、最長蓄熱體時的阻力值，分別對蓄熱體長度為500、1 000; 1 500和2 000 rruyZ木同空氣流量下進行了阻力損失測試，空氣流量計的測量精度為±1耐／}1壓力變送器的測量精度為±Q5 Pa氣體的流量變化范圍是從20～ioo n//b從測量結果圖4中可以看出，當氣體流量一定時，阻力損失隨蓄熱體的高度增大而增加；當蓄熱體的高度一定時，阻力損失隨氣體的流量增大而增加，當流量100 m／h蓄熱體長度2 000 mm，阻力損失750 Pa左右，同等條件下的陶瓷小球作為蓄熱體的阻力損失約1 400 PA'2l。
3 2輻射管外壁的溫度分布
由輻射管外壁的溫度梯度引起的應力大小是影響輻射管壽命的重要因素，在實際應用過程中發現，輻射管一般都從生物質燃燒機附近“燒穿，，，這是因為，在輻射管內生物質燃燒機附近的輻射管壁內溫度梯度大，由此產生的熱應力大，在這些點溫度最高，氧化最嚴重，所以往往從這些地方損壞，這種現象在直管式輻射管上尤為嚴重。在直管式輻射管上采用自蓄熱燃燒器后，整個過程中沿輻射管的縱向表面最大溫差不超過58℃特別是當輻射管內溫度超過850℃以后，圖3中閘板閥2打開，實現高溫貧氧燃燒，火焰體積變大，管內的溫度更加均勻，管壁的最大溫差有減小的趨勢。從圖5實測數據也可以看出，隨著實驗爐內溫度的提高，輻射管表面的最大溫差有變小的趨勢，同其它類型的輻射管燃燒時輻射管壁的溫度差相比【1卜141，配備新型自蓄熱生物質燃燒機的直管式輻射管不但安裝方便，表面最大溫度差也大大降低，如表1所示。
3 3換向時間對排煙溫度及溫度效率的影響
在自蓄熱生物質燃燒機正常工作過程的任一換向周期中，如圖6所示，前半個周期內，蜂窩體把熱量傳遞給空氣，靠測點的溫度成線性下降，而后半個周期，煙氣把熱量傳遞給蜂窩體，被測點的溫度變化呈拋物線上升。所采用熱電偶的精度等級為2級，測量誤差每噸為Q 25%，既對于1 000℃左右的火焰測量誤差在3℃以內。換向時間的長短對排煙溫度和溫度效率有較大的影響，換向時間為60 sW，排煙溫度波動為85℃換向時間為20咐，排煙溫度波動為23℃。
對換向閥的要求提高，會影響到換向閥的壽命，要根據具體情況，確定蓄熱材料的數量，保證自蓄熱生物質燃燒機中蓄熱體的熱飽和時間為10～20叻佳，換向時間與其飽和時間相對應。
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